京都大学化学研究所水尾纪和教授、米乐m6官方网站特别研究员ED Herbschleb、高级研究员加藤博光领导的研究小组利用人工合成的掺磷n型金刚石在NV中心（氮空位中心）找到了世界上室温下最长的电子自旋相干时间 (T2）成功地在量子传感器中实现了世界上最高的磁场灵敏度。和一个 NV 中心。这个T2是室温下其他固态电子自旋中最长的。
NV中心即使在室温下也具有长T2并从实现超灵敏量子传感器和量子信息器件以及将量子传感器应用于生命科学领域的角度受到关注。 T2是量子传感器中的一个重要属性，T2即，灵敏度越好。这次，我们研究了单个以 NV 为中心的 T2在一定的磷浓度下，时间很长。由于磷具有电子自旋，因此成为磁噪声源，当掺杂磷时，T2会更短，但这个结果却与此相反。从仅系统地改变磷浓度的样品的结果来看，对于掺杂超过一定量的磷的样品，获得了世界上最长的T2进行了测量并证实了磷掺杂的效果。 T2较长的时间被认为是由于合成过程中产生的空位缺陷被充电，抑制了成为磁噪声源的化合物缺陷的产生。精确的噪声测量表明，该样品中的噪声源是磷以外的杂质缺陷的电子自旋，通过抑制它们，进一步 T2更长。 n 型金刚石带来的最长 T2的成就意义重大，预计将为进一步提高灵敏度和利用 n 型半导体特性的量子器件的广泛应用铺平道路。
该成果将于2019年8月28日在线发表在英国国际学术期刊《自然通讯》上。
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| 图 1 (a) 金刚石中 NV 中心的结构。 (b) 哈恩回波信号的测量结果。 NV中心具有电子自旋（图中橙色箭头），可以实现0和1的叠加态。叠加态减小到1/e大小（约037，其中e是自然对数的底数）所需的时间就是相干时间T2. |
近年来，人工合成高质量钻石已成为可能，并且有望实现前所未有的使用钻石的装置。特别令人感兴趣的是金刚石中的 NV 中心，如图 1 所示，它是一种杂质缺陷，由取代晶格中的碳的氮以及通过去除相邻碳原子而产生的空位组成。由于 NV 中心的电子态位于带隙中，因此它也是赋予钻石近粉红色颜色的色心。
近年来，NV中心从超高灵敏度传感器和量子信息器件应用的角度受到关注。值得注意的是，在室温下可以观察到一个（单个）NV中心的自旋，并且即使在室温下，自旋相干时间（T2）。从传感器角度来看，它有望被应用为磁场、电场、温度、压力等的高灵敏度传感器，并且由于它可以观察每个单独的物体，因此还可以实现纳米级别的高空间分辨率。因此，基于NV中心的量子传感器有望应用于生命科学领域，如需要高空间分辨率和高灵敏度的细胞内测量、蛋白质物质的结构分析、以及用于显微器件评估设备的传感器等。此外，通过增加一次测量的 NV 中心数量，可以显着提高传感器灵敏度，但空间分辨率会下降。原则上，不使用液氦就无法工作的超导量子干涉仪预计即使在室温下也能达到灵敏度（飞特斯拉）水平，并有望在需要极高灵敏度的领域得到广泛应用，包括心磁图和脑磁图等医疗设备。
T2进行研究，发现杂质缺陷很少的优质钻石是T2表明它取决于核自旋的浓度[1]、更多13碳浓度降低至 03% 的合成金刚石，室温下最长 T2正在报告时间（18 毫秒）[2]在室温下，T2然后13世界各地已有多个小组成功合成了C浓度约为0002%的钻石，但当时18毫秒的长度是由单晶Tiremond实现的，此后室温下的长度就没有被超越。这表明除了核自旋之外还存在一些噪声源，我们如何减少它呢？2
迄今为止，用于以 NV 为中心的研究的金刚石样品主要是未有意掺杂杂质的绝缘金刚石。杂质通常具有可能成为噪声源的电子自旋，因此尽可能消除杂质的钻石具有更高的 T2之类的特征和灵敏度都很好。另一方面，我们之前针对AIST生产的高质量磷掺杂n型金刚石中单个NV中心的电荷稳定性进行了研究。由于预期应用的NV中心的电荷状态是-1价态，因此通过n型金刚石稳定电荷状态。将金刚石转化为n型半导体很困难，世界上只有少数研究小组可以生产n型半导体金刚石，但AIST小组开发出了高质量的掺磷n型金刚石。化学气相沉积法（CVD法）合成的基团在研究其电荷态稳定性时，我们发现一定磷浓度的样品具有极长的T2磷是一种具有电子自旋的顺磁杂质，成为磁噪声源，因此掺杂磷会降低NV中心的T2会更短，但这个结果是与此相反的令人惊讶的结果。为了确认磷的效果，产业技术研究所组制作了仅系统地改变磷浓度的样品，进行测定时发现，样品中掺杂了一定量以上的磷（磷浓度1016/厘米3度2观察并证实了磷掺杂的效果。室温 T2的最长报告值为 18 毫秒[2]，我们演示了 24 毫秒(*)。此外，T2最长的单一NV中心交流磁场估计灵敏度，室温下单个 NV 中心的世界最高值（9 纳特斯拉/√赫兹)也得到了证明。另外，直流磁场对于传感器很重要自由感应衰减时间(T2*) 的最长报告值为 047 毫秒，但我们演示了 15 毫秒。这些T2,T2*它不仅是最长的NV中心，也是室温下其他固态量子位中最长的。此外，我们测量了四个接近最佳磷浓度的样品，并在这些样品中发现了许多 2 毫秒或更长的 NV 中心，证实了重现性。
在使用CVD方法合成金刚石时，人们认为在合成过程中会出现空位缺陷以稳定金刚石[4]在合成过程中，这些空位缺陷进一步结合形成化合物缺陷。这种复杂的缺陷是磁噪声的一个来源，它是热稳定的，因此很难去除它。 T2较长的时间被认为是由于合成过程中产生的空位缺陷被充电并且抑制了该化合物缺陷的产生。我们进一步进行了精确的噪声测量，结果表明噪声源是磷以外的杂质缺陷的电子自旋。通过删除它们来进一步 T2持续时间会更长，灵敏度也会提高。
(*) 之前报道过的 T2=18 毫秒[2]或聚晶金刚石中最长的值T2=20 毫秒[3]尚未进行测量以充分消除噪声，并且我们 T2=24 ms 在 NV 中心测量，T2=29 毫秒估计。
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| 图 2 通过化学气相沉积 (CVD) 合成金刚石。使用微波将氢气和甲烷等气体转变为等离子体，并将金刚石沉积在基材上。还可以通过在气相生长过程中引入特定杂质来改变半导体的性能。 |
根据这一结果，世界上室温下最长的 T 位于 NV 中心2，T2*，以及世界上单个NV中心在室温下最高的磁场灵敏度。但是，通过增加一次测量的NV中心的数量可以进一步提高传感器灵敏度。虽然增加数量会降低空间分辨率，但我们已经能够通过测量 09 picotesla/√赫兹已被报道。通过利用这种合成方法合成可以一次测量多个NV中心的样本，有望进一步提高灵敏度，也有望应用于核磁共振、心磁图、脑磁图等需要高灵敏度但不需要高空间分辨率的领域。
由于NV中心的自旋态可以高度量子控制，因此可以生成和利用经典力学世界中无法实现的先进量子态。希望这将使我们在未来获得更高的灵敏度，这在经典力学的世界中是无法实现的。另外，这个结果表明最长的T2其意义重大，除了进一步提高灵敏度之外，预计还将为使用利用n型半导体特性的电子器件元件的广泛应用铺平道路。
这项研究主要得到科学研究/基础 A 类“使用钻石的超高灵敏度和超高分辨率量子纳米传感器”（代表人：Norikazu Mizuochi，16H02088）、文部科学省光学和量子飞跃旗舰计划 (Q-L EAP)“通过创建创新传感器系统”的支持固态量子传感器的先进控制”（代表人：东京工业大学教授波多野睦子，JPMXS0118067395），京都大学化学研究所联合研究中心支持（2019-103）。
标题：室温固态自旋中的超长相干时间
作者：E D Herbschleb、H Kato、Y Maruyama、T Danjo、T Makino、S Yamasaki、I Ohki、K Hayashi、H Morishita、M Fujiwara、N Mizuochi
已出版的杂志：DOI：101038/s41467-019-11776-8